ترانزیستور چیست

ترانزیستور چیست

ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT)

در دیودها دیدیم که از دو قسمت نیمه هادی سیلیسیوم و ژرمانیوم برای تشکیل یک پیوند PN ساخته شده است، هم چنین در مورد ویژگی ها و مشخصات آنها چیزهایی یاد گرفتیم.

حال اگر ما دو دیود تکی را به صورت پشت به پشت به هم وصل کنیم، دو پیوند PN به ما خواهد داد که با هم سری هستند و یک پایه ی N یا P مشترک دارند. ادغام این دو دیود یک قطعه سه لایه ای می سازد که از دو پیوند و سه پایه تشکیل شده است که اساس ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی یا  (BJT(Bipolar Junction Transistor است.

ترانزیستورها قطعات فعال سه پایه هستند که از مواد نیمه هادی ساخته شده اند که می تواند با استفاده از یک ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان رسانا یا نارسانا عمل کند. توانائی ترانزیستور با تغییر بین این دو حالت، دو کاربرد اساسی ترانزیستورها را مشخص  میکند: سوئیچینگ (دیجیتال) یا تقویت (آنالوگ). بنابراین ترانزیستورهای دوقطبی توانائی کار کردن در سه ناحیه مختلف را دارند:

- ناحیه فعال: ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده عمل می کند و  Ic = β.Ib.

- ناحیه اشباع: ترانزیستور به عنوان یک کلید کاملا روشن عمل می کند و Ic = I.

- ناحیه قطع: ترانزیستور به عنوان یک کلید کاملا خاموش عمل می کند و  Ic = 0.

دو نوع اصلی از ساختار ترانزیستور دو قطبی وجود دارد: PNP و NPN که به طور اساسی آرایش فیزیکی از نوع P یا P-type و نوع N  یا N-type مواد نیمه هادی که از آنها ساخته شده است را توصیف می کند.

ساختار اصلی ترانزیستور های دوقطبی متشکل از دو پیوند PN است که دارای سه پایه است که این سه پایه با توجه به نامش از دیگر پایه ها متمایز می شود. این سه پایه به عنوان امیتر Emitter)E) ، بیس Base)B) و کلکتور Collector)C) نامگذاری شده است.

جهت تشخیص پایه های ترانزیستور کلیک کنید

ترانزیستورهای دوقطبی ابزارهای تنظیم جریان هستند که مقدار جریان جاری در آنها نسبت به مقدار ولتاژ بایاس اعمال شده به پایه ی بیس قابل کنترل می باشد و مثل یک کلید کنترل جریان عمل می کنند. قاعده کلی عملکرد ترانزیستور PNP و NPN دقیقا مشابه است و تنها تفاوت در بایاس بودن و قطبی بودن آنها از منبع تغذیه است.

ساختار ترانزیستور دوقطبی 

ساختار و شماتیک ترانزیستور

ساختار و نماد مداری ترانزیستور در بالا برای هر دو نوع PNP و NPN مشخص شده است و یک فلش جهت جریان قراردادی بین پایه ی بیس و پایه ی امیتر آنرا نشان می دهد. جهت پیکان در هر دو نوع ترانزیستور همیشه از قسمت مثبت نوع P به قسمت منفی نوع N اشاره می کند، که دقیقا همان نماد دیود استاندارد است.

آرایش های ترانزیستور دوقطبی

با توجه به اینکه ترانزیستور دارای سه پایه است به طور کلی سه راه ممکن برای اتصال آن در یک مدار الکترونیکی  وجود دارد. که در هر کدام از آنها یکی از پایه ها بین دو بخش ورودی و خروجی مدار مشترک است. هر روش اتصال پاسخ متفاوتی به سیگنال ورودی اش در مدار می دهد که به دلیل ویژگی های استاتیک ترانزیستور با هر تنظیم مدار تغییر می کند.

- اتصال بیس مشترک: بهره ولتاژ دارد اما بهره جریان ندارد.

- اتصال امیتر مشترک: هم بهره ولتاژ و هم بهره جریان دارد.

- اتصال کلکتور مشترک: بهره جریان دارد اما بهره ولتاژ ندارد.

اتصال بیس مشترک

در اتصال بیس مشترک همان طور که از اسم آن مشخص است، پایه بیس بین هر دو سیگنال ورودی و خروجی مشترک است، به طوری که سیگنال ورودی بین پایه های امیتر و بیس اعمال شده است. همان طور که نشان داده شده است سیگنال خروجی متناظر بوسیله پایه ی بیسی که کار گذاشته شده یا متصل شده به نقطه ولتاژ مرجع ثابت از بین پایه های کلکتور و بیس گرفته شده است.

جریان ورودی به امیتر در مقایسه با مجموع جریان کلکتور و بیس بسیار بزرگ است. از این رو جریان خروجی کلکتور کمتر از جریان ورودی امیتر است در نتیجه بهره جریان برای این نوع از مدار "1" و یا کمتر است. به عبارت دیگر اتصال بیس مشترک سیگنال ورودی را ضعیف می کند.

 مدار ترانزیستور بیس مشترک

ارایش بیس مشترک

این نوع از اتصال، یک مدار تقویت کننده ی ولتاژ غیر معکوس است که در آن ولتاژ سیگنال های ورودی و خروجی (Vin & Vout) هم فاز هستند. این نوع از آرایش ترانزیستور به دلیل بهره ولتاژ پایین آن خیلی متداول نیست.

این نوع از اتصال ترانزیستور دوقطبی یک نسبت بالائی از مقاومت خروجی به مقاومت ورودی دارد و یا مهمتر از آن مقاومت بار به مقاومت ورودی که به ما مقدار بهره مقاومت را می دهد. بنابراین بهره ولتاژ (AV) برای اتصال بیس مشترک به این صورت است:

بهره ولتاژ بیس مشترک

نسبت Ic/Ie بهره جریان است که با آلفا (α) نشان می دهیم و نسبت Rl/Rin بهره مقاومت است.

به طور کلی مدار بیس مشترک به خاطر پاسخ فرکانسی بسیار خوب آنها فقط در مدارات تقویت کننده تک مرحله استفاده می شود، مثل تقویت کننده میکروفون یا تقویت کننده های امواج رادیوئی (RF) .

اتصال امیتر مشترک

در ساختمان امیتر مشترک همان طور که نشان داده شده است، سیگنال ورودی بین بیس و امیتر اعمال شده است، در حالی که خروجی از بین کلکتور و امیتر گرفته شده است. این نوع از اتصال مدار به طور عمومی بیشتر برای تقویت کننده های ترانزیستوری استفاده شده است و روش معمول از اتصال ترانزیستور دوقطبی را نشان می دهد.

اتصال امیتر مشترک در مقایسه با دو نوع اتصال دیگر دارای بالاترین بهره توان است. این عمدتا به سبب امپدانس ورودی کم است به دلیل این که پیوند PN ورودی در بایاس مستقیم است (پیوند بیس-امیتر) در حالی که امپدانس خروجی بالاست که دلیل آن معکوس بودن پیوند PN در خروجی است. 

مدار تقویت کننده امیتر مشترک

ارایش امیتر مشترک

در این نوع از اتصال، جریان خروجی از ترانزیستور باید با جریان ورودی به ترانزیستور برابر باشد به طوریکه جریان امیتر به صورت  Ie = Ic + Ib داده شده است.

مقاومت بار (RL) به صورت سری به کلکتور متصل شده است، بهره جریان در اتصال امیتر مشترک زیاد است به طوری که نسبت آن Ic/Ib است که آنرا با نماد یونانی بتا  ( β )نمایش می دهند.

چنانکه جریان امیتر برای یک اتصال امیتر مشترک به صورت Ie = Ic + Ib تعریف شده است، نسبت Ic/Ie آلفا نامیده شده است و نماد یونانی (α) به آن اختصاص داده شده است.

نکته: مقدار آلفا (α) همیشه از عدد "1" کمتر خواهد بود.

از آنجائی که ارتباط الکتریکی بین این سه جریان Ib ، Ic و Ie توسط ساختار فیزیکی خود ترانزیستور مشخص شده است، هر تغییر کوچک در جریان بیس (Ib) ، تغییر بسیار بزرگتری را در جریان کلکتور (Ic) در بر خواهد داشت.

بنابراین تغییرات کوچک در جریان بیس، جریان را در امیتر-کلکتور کنترل خواهد کرد. معمولا برای بیشتر ترانزیستورها، بتا ارزشی بین 20 تا 200 دارد. بنابراین اگر ارزش بتای یک ترانزیستور 100 باشد به این معناست که برای هر 100 الکترون جاری بین پایه امیتر-کلکتور، یک الکترون جریان خواهد داشت.

با ترکیب عبارات آلفا (α) و بتا (β) ، بهره جریان ترانزیستور می تواند به این صورت ارائه بشود:

رابطه جریان در امیتر مشترک

در اینجا Ic ، جریان جاری وارد شده به پایه کلکتور است، Ib جریان ورودی به پایه بیس است و Ie جریان خروجی از پایه امیتر است.

به طور خلاصه این نوع از اتصال ترانزیستور دوقطبی نسبت به بیس مشترک، بهره توان و جریان و امپدانس ورودی بیشتری دارد اما بهره ی ولتاژ بیس مشترک بهتر است.اتصال امیتر مشترک یک تقویت کننده ی معکوس است به این معنی که سیگنال خروجی 180 درجه با سیگنال ورودی اختلاف فاز دارد.

اتصال کلکتور مشترک

 در ساختار کلکتور مشترک، کلکتور سرتاسر منبع مشترک است. سیگنال ورودی مستقیما به بیس متصل شده است در حالی که خروجی بار از امیتر گرفته شده است. در این نوع آرایش ترانزیستور، ولتاژ خروجی و ولتاژ ورودی هم فاز هستند.بهره ی ولتاژ در این نوع آرایش همیشه کمتر از یک است. بهره ی جریان در مقایسه با امیتر مشترک بیشتر است زیرا مقاومت بار در امیتر قرار گرفته است بنابراین جریان های کلکتور و بیس را دریافت می کند. بنابراین کلکتور مشترک یک تقویت کننده ی جریان خوب با بهره ی ولتاژ کم است. این نوع اتصال عموما به عنوان مدار ولتاژ پیرو یا امیتر پیرو شناخته شده است. کلکتور مشترک به خاطر امپدانس ورودی بالا برای تطبیق امپدانس، بسیار کاربرد دارد.

مدار ترانزیستور کلکتور مشترک

مدار کلکتور مشترک

از آنجایی که جریان امیتر ترکیبی از جریان بیس و کلکتور است، مقاومت بار در این نوع از آرایش هم جریان کلکتور و هم جریان ورودی بیس را دارد. بنابراین بهره جریان مدار به این صورت تعریف شده است:

بهره جریان کلکتور مشترک

ارتباط بین جریان های DC و بهره های جریان

 به طور خلاصه رفتار ترانزیستور دوقطبی در هر یک از ارایش های ان بسیار متفاوت است و ویژگی های مداری متفاوتی با توجه به امپدانس ورودی ، امپدانس خروجی و بهره ها دارند که به طور خلاصه در جدول زیر آمده است.